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边界层与大气湍流

发布时间:2019-12-29

  从动力学的观点来划分大气层次,一般在离地面1000米 以上,地面的摩擦已不起作用,空气的运动接近于理论上的地转风,这一层叫做自由大气。自由大气层的下界到地面叫 行星边界层或摩擦层。这一层的上界高度因地面 粗糙不一而变化。在摩擦层里空气运动就复杂得多了,观测指出,无论是风速还是风向与地转风都有很大程度的偏离。

  离地面50—100米高的层次称为近地面层,在这一层里切变应力随高度变化接近常数。而温度梯度的数值变化范围 很大,且紧贴地面层更为显著。温度垂直变化和地面状态对 风随高度的变化有显著作用。大气的扰动占据着重要地位, 贝速和温度垂直梯度显著,日变化明显。

  这样的分层是一个大致的平均状况,因大气受下垫面特征的影响,所以,各层厚度随下垫面特征、季节和地点而变化。 人们在日常生活中只要稍加留意就会发现,从烟囱排出的烟并不是有规则的扩散,因而很难用简单的数学式来表达。 这种不规则的空气运动叫做大气湍流。

  湍流是流体中大小不一的湍涡组成的一种极其复杂的无 规则运动。在实验室内的模拟湍流和外界大气湍流有显著的差异,大气中涡旋的大小没有明确界限,而实验中的涡旋却 受到控制和约束。

  湍流是一种复杂的运动,是边界层大气运动的主要形式。 大家知道,风从来不是完全平稳的,风速时大时小,很不规 则,风向也经常摆动,这些自然气流的特性都是湍流的表现。 湍流对从烟囱中排出的烟有很大影响,湍流愈强,污染物的散布空间就愈大。

  决定近地层湍流强弱的主要因子是下垫面自然特性的粗 糙程度和空气的层结状况。下垫面愈粗糙,摩擦力愈大,气流运动受阻,风速减弱也愈明显。摩擦作用除直接使风速减弱外,又通过它所产生的涡旋影响风场的垂直结构。低层大 气的层结状况对湍流的强弱起主要作用,大气层结愈不稳定, 湍流愈能得到发展和加强。

  近地面层,既吸收太阳短波辐射同时又吸收地面长波辐 射,这两种相反作用使地面温度日变化显著,直接影响了空 气的运动。当温度垂直递减率大时,湍流强烈发展;有逆温 存在时,湍流减弱。

  为了将影响大气湍流的诸因子进行综合考虑,通常引入 理查逊数来判断大气湍流的强弱。